Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har hittat ett sätt att använda solrospollen för att utveckla ett 3D -tryckfärgmaterial som kan användas för att tillverka delar som är användbara för vävnadsteknik, toxicitetstestning och läkemedelsleverans.

Detta pollenbaserade bläck kan hålla sin form när det avsätts på en yta, vilket gör det till ett livskraftigt alternativ till nuvarande bläck som används för 3D -utskrift inom det biomedicinska området (även känt som biotryck). Sådana bläck är vanligtvis mjuka och känsliga, vilket gör det till en utmaning att behålla slutproduktens önskade 3D -form och struktur när bioprinteren avsätter bläcket lager för lager.

För att illustrera funktionaliteten hos deras pollenbaserade 3D-tryckfärg, NTU Singapore forskare tryckte ut en biologisk vävnad "ställning" som i laboratoriestudier visade sig vara lämplig för celladhesion och tillväxt, som är väsentliga för vävnadsregenerering.

Denna nya användning för pollen, beskrivs i en vetenskaplig uppsats som var omslaget i vetenskaplig tidskrift Avancerade funktionella material, lyfter fram dess potential som ett hållbart alternativt material till nuvarande biotrycksfärger, sa forskargruppen.

Studiens medförfattare Professor Cho Nam-Joon från NTU School of Materials Sciences and Engineering sa:"Biotryck kan vara utmanande eftersom materialet i bläck som används är vanligtvis för mjukt, vilket innebär att strukturen för den tänkta produkten kan kollapsa under tryckning. Genom att justera de mekaniska egenskaperna hos solrospollen, vi utvecklade ett pollenbaserat hybridfärg som kan användas för att skriva ut strukturer med god strukturell integritet. Att använda pollen för 3D-utskrift är en betydande prestation eftersom processen att göra det pollenbaserade bläcket är hållbart och prisvärt. Med tanke på att det finns många typer av pollenarter med olika storlekar, former, och ytegenskaper, pollenmikrogelsuspensioner kan eventuellt användas för att skapa en ny klass av miljövänliga 3D-utskriftsmaterial. "

Studie medförfattare Assistant Professor Song Juha från NTU School of Chemical and Biomedical Engineering sa:"Våra fynd kan öppna nya dörrar för anpassade flexibla membran som passar den mänskliga hudens konturer exakt, såsom sårbandningsplåster eller ansiktsmasker. Sådana mjuka och flexibla membran tillverkas vanligtvis baserat på platt geometri, vilket resulterar i problem som frakturer i skikten eller dålig passform när de appliceras på stora hudytor, såsom ansiktet eller områden som ofta ser rörelser som lederna. Med vårt pollenbaserade 3D-tryckfärg, som är biokompatibel, flexibel, och låg kostnad, vi kan tillverka membran som är skräddarsydda för människans hudkonturer och som kan böjas utan att gå sönder. "

I forskargruppen ingår också biträdande professor Jang Taesik från Chosun University i Sydkorea.

Professor Paul S. Weiss, Ärade professor i kemi och biokemi, Bioingenjör, och materialvetenskap och teknik vid University of California, Los Angeles, som inte var inblandad i studien, sa att "pollen är ett fascinerande och hållbart bionanomaterial med en mängd användningsområden. Sång, Cho, och deras team har nu lagt till det i arsenalen för vad som kan struktureras i större skala genom additiv tillverkning, 3d-utskrivning, genom att införliva det i ett bläck. "

Dr Jeffrey S. Glenn, Direktör för Center for Hepatitis and Liver Tissue Engineering vid Stanford Medicine, som inte var inblandad i studien, tillade att "detta är ett mycket spännande papper som visar möjligheten att 3D -skriva ut anpassade strukturer för tillverkning och läkemedelsleverans med ett hållbart, billig, och giftfritt material. "

Hur det pollenbaserade hybridbläcket utvecklas

Den mest använda biotrycksmetoden idag är extruderingsbaserad bioprinting, där bläck utmatas kontinuerligt från munstycken och deponeras längs digitalt definierade banor för att tillverka 3D -strukturer lager för lager.

En av utmaningarna med denna metod är svårigheten att behålla 3D -strukturer och former av mjuka känsliga material som hydrogeler, celler, och biopolymerer utan ytterligare stöd. En struktur som kallas en stödjande matris, inom vilket det mjuka bläcket deponeras under tryckprocessen, används vanligtvis. Dock, detta skapar avfall eftersom stödmatrisen blir oanvändbar efter utskrift.

Asst Prof Song sa:"Tidigare forskningsinsatser var inriktade på att utveckla speciella biolänkar för effektiv avsättning och tryckbarhet genom blandning av hydrogeler med fibrer eller partiklar. Den största nackdelen med sådana hydrogelkompositfärger är munstoppstoppning, vilket är en mer betydelsefull fråga i bläck med ett högre innehåll av sådana fibrer eller partiklar. Det pollenbaserade hybridbläcket vi har utvecklat, i kontrast, är mekaniskt tillräckligt stark för att behålla sin struktur utan att fastna i skrivaren. "

Utvecklingsprocessen för det pollenbaserade hybridbläcket börjar med att inkubera seg solrospollen i en alkalisk lösning-en miljövänlig process som liknar tvåltillverkning-i sex timmar för att bilda pollenmikrogelpartiklar.

Pollenmikrogeln blandas sedan med hydrogeler som alginat, en naturligt förekommande polymer som vanligtvis erhålls från brun tång, eller hyaluronsyra, en tydlig, klibbigt ämne som produceras naturligt av kroppen, för att bilda det slutliga pollen-hydrogel-hybridbläcket.

Pollenbaserad byggnadsställning för cellodling och läkemedelsleverans

Som ett bevis på konceptet, forskarna skrev ut en fem-lager vävnadsteknisk byggnadsställning, användbar för odling av celler, på 12 minuter. Kollagen tillsattes sedan till ställningen för att ge ankare som celler kan fästa vid och växa.

Forskarna såde sedan mänskliga celler på ställningen och fann att den hade en hög cellsåddseffektivitet på 96 procent till 97 procent. Detta är jämförbar prestanda med de inverterade kolloidala kristall (ICC) hydrogelerna som används i stor utsträckning som 3D-cellodlingsplattformar men som är tidskrävande och mödosamma att tillverka.

Med tanke på att pollen reagerar på pH-förändringar-när en miljö blir sur eller alkalisk-testade NTU-teamet också 3D-ställningens lönsamhet som ett stimulansresponsivt läkemedelsleveranssystem. När ett fluorescerande rött färgämne droppades på ställningen, forskarna fann att pollenmikrogelpartiklarna släppte ut färgämnet gradvis i ställningen. Mängden och frisättningshastigheten ökade med tillsats av en syra. Detta visar att det finns potential för att pollenställningen kan användas som ett system för administrering av läkemedel med kontrollerad frisättning, sa forskarna. Prof Cho sa:"Pollenmikrogelpartiklar har en ihålig skalstruktur, vilket innebär att de potentiellt kan användas för att bära droger, celler, eller biomolekyler i läkemedelsleveransplattformar med anpassade 3D -strukturer. Vi tittar nu på hur vi kan använda dessa pollenmikrogelställningar för 3D -cellodlingsplattformar i olika biomedicinska tillämpningar.

"Det finns också potential för den pollenbaserade byggnadsställningen att användas som en smart läkemedelsbärare, med tanke på pollens stimulansresponsiva natur. Till exempel, vi kan ytterligare bromsa frisättningen av läkemedel genom att belägga den pollenbaserade ställningen med ett tunt lager alginat, och stimulera frisättningen genom att införa en syra. "

Pollenbaserad stödstruktur för mjuka 3D-tryckfärger

Forskarna fann också att de mjuka och flexibla pollenmikrogelpartiklarna, härrör från hårda pollenkorn, kan eventuellt fungera som en återvinningsbar stödmatris, för användning i friform 3D -utskrift, i vilket mjukt bläck deponeras. Stödmatrisen förhindrar kollaps av den tryckta strukturen när bläcket härdar.

För att testa genomförbarheten av deras tillvägagångssätt, forskarna tillverkade ett 3D -tryckt kiselgummi -nät för armbågen med hjälp av pollenmikrogel som stöd som skulle behålla armbågens form när den skrivs ut.

Efter härdning av den tryckta produkten vid 75 ° C (167 ° F) i 24 timmar inuti pollenmikrogel, forskarna fann att det tryckta 3D -silikongummit kan anpassa sig till den mänskliga armbågens krökning. De fann också att de mekaniska egenskaperna hos silikongummiproverna som tryckts och härdats i pollenmikrogelstödjande matris liknade de hos prover som tillverkats via den traditionella gjutmetoden.

Användningen av pollen inom det biomedicinska området bygger på NTU -forskargruppens arbete med återanvändning av pollenkorn, en naturlig förnybar resurs, in i en byggsten för olika miljövänliga alternativa material, från miljövänligt papper till biologiskt nedbrytbara svampar som kan suga upp oljeföroreningar.

Denna forskning är i linje med NTU:s forskningsambitioner i sin strategiska plan 2025 för att översätta uppfinningar och kreativitet till resultat som förbättrar ekonomiska fördelar och livskvalitet.

Teamet vill nu samarbeta med industrin för att förfina sin 3D -utskriftsinnovation och främja dess kommersiella upptag.